curso electrónica completo

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Curso electrónica 1/ Conceptos básicos de electricidad Con esta primera lección comenzamos un curso completo de electrónica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrónica desde sus principios. Nuestro curso completo capacitará al alumno para encarar la reparación de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV en donde se analiza la reparación de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc. La electricidad estática La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos físicos (objetos) están formados con moléculas de diferentes materiales que a su vez están construidas con alguno de los 92 átomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada átomo, existe un núcleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el átomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse eléctricamente. Al núcleo no tenemos un acceso fácil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de orbitas superiores es muy fácil y solo basta con frotar materiales con un paño para arrancar o

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Curso electrnica

1/ Conceptos bsicos de electricidad

Con esta primera leccin comenzamos un curso completo de electrnica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrnica desde sus principios.

Nuestro curso completo capacitar al alumno para encarar la reparacin de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV en donde se analiza la reparacin de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc.

La electricidad esttica

La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos fsicos (objetos) estn formados con molculas de diferentes materiales que a su vez estn construidas con alguno de los 92 tomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada tomo, existe un ncleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el tomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse elctricamente.

Al ncleo no tenemos un acceso fcil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de orbitas superiores es muy fcil y solo basta con frotar materiales con un pao para arrancar o agregar electrones y generar cargas elctricas fijas en el material utilizado. Agregar o quitar depende del material que se frote en el pao. Algunos materiales son dadores y otros son aceptores.

Es as como podemos tener un objeto con exceso de electrones (negativo) y otro con falta de electrones (positivo). Mientras los objetos estn separados (aislados) permanecern cargados permanentemente. Si se los aproxima hasta que se toquen, de inmediato circularan cargas elctricas (electrones) ente ellos hasta neutralizarse de modo que cada cuerpo sea neutro.

Como el lector puede observar, todas estas acciones ocurren en un instante de tiempo y luego cesan en cuanto los cuerpos se neutralizan. No hay una circulacin permanente de electricidad. Un instante despus que los cuerpos se tocan cesan los fenmenos elctricos. Por esos a estos fenmenos se los incluye entre los de electricidad esttica o electrosttica. Nos sirven para establecer los principios de nuestra especialidad, pero no son los fenmenos que normalmente ocurren dentro de un dispositivo electrnico, en donde las corrientes de electrones circulan en forma permanente.

El concepto ms importante de la electrnica es el de la circulacin de la corriente elctrica, que puede ser explicado claramente mediante la electricidad esttica.

Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados elctricamente. Uno es de material dador (positivo) y otro de material aceptor (negativo).

Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecern cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aisladora.

Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarn y entonces decimos que la barra de cobre es conductora.

Es un error considerar que el mismo electrn que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenmeno que se produce es un desplazamiento de electrones de tomo en tomo de modo que entra un electrn por una punta de la barra pero el que sale es otro electrn que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prcticamente a la velocidad de la luz el corpsculo (electrn) lo hace mucho mas lentamente.

En uncuerpo aisladorlos electrones estn fuertemente unidos a su ncleo y es difcil o imposible sacarlos de sus orbitas.

En uncuerpo conductorlos electrones estn flojamente unidos a su ncleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de ncleo en forma casual; aunque siempre que un tomo adquiere un electrn cede otro para mantener la neutralidad.

Ahora es fcil entender que si un cuerpo con electrones en exceso se une a una barra de cobre, este cuerpo transfiere algunos de sus electrones de modo que el nuevo cuerpo con el agregado de la barra de cobre tiene caractersticas negativas distribuidas uniformemente por todo el cuerpo compuesto. Es decir que la barra de cobre es tambin negativa y por lo tanto al acercarla al cuerpo positivo, establecer la circulacin de electrones.

En cambio labarra de vidriono acepta que sus electrones se muevan de tomo en tomo y por lo tanto el cuerpo con exceso de electrones no puede influir sobre ella. Estos dos conceptos de cuerpos aisladores y conductores son fundamentales en nuestra especialidad.

Ejemplos de cuerpos conductoresson los metales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro, etc. Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores; algunos lquidos tambin lo son. Dejemos el caso obvio de los metales lquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos lquidos compuestos como los cidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores, aunque no tan buenos como los metales. Tambin existen slidos conductores como por ejemplo el grafito (un estado de agregacin del carbono).

Como ejemplo de aisladorespodemos indicar, al vidrio, los materiales plsticos y el agua destilada. En realidad son aisladores hasta cierto punto. En efecto si un cuerpo est muy cargado de electricidad y la barra aisladora no es muy larga puede ocurrir un efecto de circulacin disruptiva que perfora el aislador y lo vuelve conductor. En general esta circulacin se produce con presencia de ruido, efectos luminosos y trmicos dando lugar a lo que se llama una descarga elctrica y en muchos casos el cuerpo aislador queda definitivamente transformado en un conductor.

Este efecto no requiere en realidad a la barra aisladora; el propio aire entre los dos cuerpos cargados puede oficiar de conductor si la carga de los cuerpos es suficientemente alta. En este caso se producen arcos a travs del aire de los cuales los relmpagos son una manifestacin natural que se produce debido a la carga elctrica de las nubes de tormenta.

Inclusive se puede formar un arco en el vaco. En efecto un cuerpo cargado muy negativamente puede rechazar tanto su exceso de electrones que estos son capaces de adquirir suficiente energa como para saltar el espacio vaco. El arco que se observa visualmente como una lnea luminosa y el ruido que se produce son causados por los electrones circulantes a gran velocidad y en gran cantidad.

La corriente elctrica

Los electrones que circulan entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, al unirlos con un conductor, forman lo que clsicamente se conoce como corriente elctrica. Es decir que circulacin de electrones y corriente elctrica son sinnimos. Por lo general cuando se trata de fenmenos electrostticos se habla de circulacin de cargas o de electrones y cuando los procesos son continuos se habla de corriente elctrica.

La corriente de agua que circula por un cao se mide en litros/Seg. En que se mide la corriente elctrica? Es evidente que se podra medir en electrones/Seg. pero la carga de un electrn es tan pequea que los nmeros seran muy altos, es decir que la unidad electrones/Seg. no es prctica. Inclusive la unidad de carga elctrica de un cuerpo cargado por frotamiento medida en electrones es ya un nmero muy alto.

Por todo esto se idearon unidades prcticas tanto para la cantidad de electricidad o carga elctrica como para la corriente elctrica dndole a esas unidades el nombre de diferentes cientficos que trabajaron con los fenmenos elctricos.

La unidad practica de corriente elctrica es elCoulomb(culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones.

La unidad prctica de corriente elctrica es elAmpery es igual a un Coulomb por segundo.

Para simplificar la notacin se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad prctica por las letras Cb. La corriente elctrica se representa por una I y a su unidad por una A. A la unidad de tiempo se la representa con la t minscula (porque se reserva la T mayscula para la temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente elctrica

I = Q/tmedida en Cb/Seg o la unidad equivalente A.

Las unidades siempre involucran los mltiplos y submltiplos de las mismas. En electrnica se utilizan por lo general los submultimplos del A es decir el mA (miliamper) y el uA (microamper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias. SIMBOLOPOT DE 10EQUIV. mAEQUIV. ANOMBRE

1 A100A10001.000.000AMPER

1 mA10-3A11.000MILIAMPER

1 A10-6A0,0011MICROAMPER

La electricidad dinmica

La electricidad dinmica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulacin permanente de electrones por un conductor.

Las fuentes permanentes de electricidad se dividen en qumicas y electromecnicas.

Una pila elctricaes una fuente qumica de electricidad. Dentro de la pila se generan reacciones qumicas cuyo resultado es la produccin de electrones. Estos electrones estn disponibles para que circulen por ejemplo por un conductor, pero a diferencia de un cuerpo cargado esa fuente de electrones no se agota. Cuando se los utiliza la pila vuelve a generar ms electrones que reemplazan a los tomados. Podra considerarse que la pila tiene en su interior tanto un cuerpo con exceso de electrones (el terminal negativo) como un cuerpo con falta de electrones (el terminal positivo) y que la pila transforma energa qumica en elctrica como para tomar un electrn del terminal negativo y subirlo hasta el positivo.

Una dnamoes una maquina electromecnica que transforma energa mecnica de rotacin en energa elctrica. Hace lo mismo que la pila, es decir que la podemos asimilar a dos cuerpos cargados con diferente polaridad en donde las cargas que circulan son reemplazadas a medida que se van tomando. En este caso la energa necesaria para restaurar las cargas se saca de una interaccin magntica entre los electrones y el campo magntico rotatorio de la dnamo.

Con la electricidad dinmica se arriba a otro concepto que es la capacidad de un generador de producir una circulacin de corriente permanente. De qu depende la corriente elctrica que circula entre dos cuerpos cargados? Depende de la diferencia de carga existente entre esos cuerpos y del tipo de barra con la cual interconectamos a los mismos. No hace falta en realidad que uno de los cuerpos sea negativo y el otro positivo. Si uno est muy lleno de electrones y el otro solo tiene un pequeo exceso de electrones y se conectan con una barra conductora, la misma equilibrar las cargas de modo que ambos cuerpos tendrn luego de un tiempo una cantidad de electrones promedio. Se puede decir por lo tanto que la circulacin de corriente depende de la diferencia de potencial elctrico entre los dos cuerpos (cuanto ms cargado esta un cuerpo que el otro) y del tipo de barra utilizada para establecer la unin entre los cuerpos. Hablamos de potencial porque un cuerpo cargado tiene una energa potencial, en el sentido de que si no colocamos la barra no hay circulacin y por lo tanto la electricidad no puede generar trabajo de ningn tipo.

Los diferentes tipos de barras utilizados para hacer circular las cargas y las diferentes tipos de fuentes generan el concepto de la diferencia de potencial elctrico y de la resistencia de la barra que analizaremos a continuacin.

La resistencia elctrica

La caracterstica ms importante de lo que hasta ahora llamamos barra es su capacidad para nivelar las cargas de los cuerpos con mayor o menor velocidad. Intuitivamente sabemos que si coloco una barra de cobre las cargas se nivelan rpidamente; en cambio si coloco una barra de grafito las cargas pueden tardar mucho mas en nivelarse (dependiendo del tipo de grafito). En el primer caso decimos que la barra de cobre tiene muy poca resistencia a la circulacin de la corriente elctrica y el segundo que el grafito presenta ms resistencia a la circulacin de los electrones.

Cmo hara Ud. para comparar la resistencia a la circulacin electrnica de diferentes materiales? Lo lgico sera realizar probetas idnticas y operar por comparacin. En el fondo lo que hace es muy parecido pero ms cientfico.

Se define a una probeta del material como un alambre de 1 metro de longitud con una seccin de 1 mm2 y se dice que la resistencia especfica de ese material es unitaria cuando el resistor tiene una resistencia de 1 Ohms. La letra elegida para nombrar a la resistencia es R. La frmula que da la resistencia en funcin de la resistencia especfica del material y las dimensiones del mismo es la siguiente:

R = Re.L / SEn donde Re es la resistencia especifica del material

En la tabla siguiente expresamos la resistencia especfica de los materiales ms comunes.MATERIAL CONDUCTORRESISTENCIA ESPECIFICA (L = 1 m, S = 1mm2)

PLATA0,016

COBRE0,018

ALUMINIO0,03

HIERRO0,1

NIQUEL0,13

ESTAO0,142

BRONCE0,17

PLOMO0,20

Tabla de resistencias especificas

En electrnica se hace un uso enorme de barras de diferente resistencia. Tanto, que en realidad se define un componente llamado resistor, que puede tener valores especficos de resistencia que difieren entre s en un 1%, en un 5% o un 10% de acuerdo con su calidad. Estos resistores estn construidos con grafito y poseen terminales de cobre para su soldadura en circuitos impresos con cobre sobre una lmina aislante.

La unidad Ohm representada por la letra griega Omega tiene por supuesto mltiplos y submltiplos como el Amper. Las siguientes igualdades nos indican los mltiplos y submltiplos ms utilizados:

miliohm 1000 m = 1 kiloohm 1 K = 1.000 megaohm 1 M = 1.000.000

La tensin elctrica

Se dice que una fuente tiene una diferencia de potencial o tensin de 1 Voltio cuando al conectarle un resistor de 1 Ohms circula 1 A de corriente elctrica por l. La tensin de una fuente se individualiza por la letra E y su unidad el Voltio por la letra V. Las siguientes igualdades nos indican los mltiplos y submltiplos ms utilizados:

microvolt 1.000.000 uV = 1 Vmilivolt 1.000 mV = 1 VKilovolt 1 KV = 1.000 V

En realidad la tensin de una fuente y la diferencia de potencial no obedecen al mismo concepto. Entre ambas caractersticas existe una pequea diferencia que pasamos a explicar.

Toda fuente de electricidad posee una resistencia interna asociada que no puede ser evitada. Tomemos por ejemplo una pila del tipo A (las ms grandes usadas en linternas). Si medimos la tensin que entrega una pila nueva sin colocarle ningn resistor de carga, mediremos una tensin de exactamente 1,52V (la tensin depende de los materiales usados para su construccin, las pilas ms comunes utilizan grafito y zinc como electrodos y son las que dan exactamente esa tensin). Pero el grafito y el resto de los materiales que forman parte de la pila tienen cierta resistencia que debe ser considerada. En cambio si colocamos un resistor de carga de 1 Ohms la tensin de la pila se reduce a 1,3 V aproximadamente. Esto significa que esa pila tiene una resistencia interna que vamos a aprender a calcular posteriormente.

Por ahora podemos decir que la diferencia de potencial de la pila (o la tensin sin carga que es lo mismo) es de 1,52V y que la tensin cargada depende de la carga conectada, pero para una carga de 1 Ohm es de 1,3V.

Los generadores electromecnicos (dnamos) tambin poseen una diferencia de potencial y una tensin de trabajo con carga. En este caso la resistencia interna de la fuente est formada por la resistencia de los bobinados del dispositivo.

La Ley de Ohm

Una de las leyes ms importante de la electrnica es la ley de Ohm. El conocimiento por parte del alumno de esta ley es imprescindible y su aplicacin no debe presentar ningn tipo de duda. Dudar en la aplicacin de la ley de Ohm implica que todo el conocimiento que posteriormente se adquiera estar viciado de nulidad. Por eso le pedimos que preste la mayor atencin y practique con la ley de Ohm hasta que no tenga la menor duda. En la prxima leccin vamos a insistir sobre el tema pero utilizando una herramienta invalorable para ello; el laboratorio virtual Live Wire. Pero primero debemos captar el concepto a la antigua es decir utilizando solo nuestra capacidad de raciocinio.

La ley de Ohm es muy lgica e intuitiva y el alumno seguramente la va a entender con total facilidad. En la figura 1 se puede observar lo que en electrnica se llama un circuito.

Fig. 1 Circuito de una pila cargada con un resistor

Evidentemente se trata de un dibujo esquematizado de la realidad. En lugar de dibujar una pila real, un resistor real y los cables que conectan a esos componentes se los reemplaza por un esquema fcil de dibujar. A la derecha se puede observar el smbolo de un resistor y a la izquierda el de una pila unido por lneas que representan a los cables del circuito o a las pistas del circuito impreso de cobre. Inclusive siempre se dibuja la pila de modo que la raya ms larga sea el terminal positivo de la misma.

En este circuito estn claramente determinados dos parmetros ms importantes. La tensin de la pila y la resistencia del resistor conectado sobre ella y que por supuesto tiene aplicada la misma tensin que tiene la pila. Ignoramos la corriente que circula por el circuito. La ley de Ohm nos permite calcularla mediante una ecuacin.

Ohm dice queI = E / Ry esta frmula es totalmente lgica porque a medida que la resistencia R aumenta se reduce la corriente circulante I y viceversa. Tambin nos indica que a medida que aumentamos la tensin E aumentar la corriente y viceversa.

Calculemos la corriente circulante en nuestro sencillo circuito:

I = 1,5V / 1 Kohm o I = 1,5V / 1.000 Ohms = 0,0015 A = 1,5 mALa ley de Ohm no solo sirve para calcular la corriente por el circuito. Podra ocurrir que en realidad conozcamos la tensin de la pila y queremos que circule una determinada corriente por el circuito (por ejemplo 2 mA) quedando como incgnita el valor del resistor. Realizando una transposicin de trminos podemos decir que:

R = E / Iy reemplazando

R = 1,5V / 2 mA => R = 0,75 Koms = 750 OhmsPor ltimo podra ocurrir que conozcamos el valor de R y de I y necesitemos calcular el valor de la tensin de la pila. Por ejemplo si R = 2K y I = 2 mA se puede calcular que:

E = R x Iy reemplazando

E = 2K x 2 mA = 2000 x 0,002 = 4 VLe pedimos al alumno que aplique la ley de Ohm para diferentes valores de E, R y I para que tome confianza con el tema. Y sobre todo le pedimos que intente el uso de notacin cientfica para resolver los circuitos con mayor rapidez y seguridad. Le aconsejamos que dentro de sus posibilidades compre una calculadora cientfica para realizar las prcticas. O si tiene una PC que utilice la calculadora cientfica que viene con Windows.

Conclusiones

Y as entramos en tema. En esta leccin aprendimos los principios de la electrnica de un modo prctico y sencillo. Tal vez el alumno se encuentre con dificultades para realizar los clculos de ley de Ohm; si ese es su problema no se preocupe que en la prxima leccin vamos a ensearle a utilizar el laboratorio virtual Live Wire que le permitir verificar los clculos realizados.

2/ Laboratorio virtual Live WireUn laboratorio real es el lugar donde Ud. realiza los trabajos prcticos de su especialidad; en nuestro caso de electrnica. Consta de una mesa de trabajo con instrumentos y fuentes de energa elctrica regulables que suplantan a las pilas. Tambin cuenta con un lugar donde se guardan los componentes electrnicos que se van a utilizar en el trabajo prctico y las herramientas necesarias para hacer las correspondientes conexiones entre ellos. Un laboratorio muy bsico debe contar con un tester que permita medir por lo menos R,V e I y un conjunto de resistores de diferentes valores para este primer trabajo prctico.

Ud. debe dentro de lo posible construir su propio laboratorio. Lo que indicamos hasta ahora puede tener un valor de unos pocos pesos. 15$ para el tester y unos 30 para la fuente regulada. Los resistores tienen un valor poco ms que anecdtico. Lo que Ud. va a hacer en su laboratorio es realizar conexiones y medir tensiones corrientes y resistencias con el tester.

Qu es un laboratorio virtual? Su laboratorio real tiene un equivalente dentro de la PC, si Ud. tiene cargado alguno de los laboratorios virtuales conocidos hasta el momento. Nosotros vamos a trabajar en un principio con el Live Wire, un laboratorio excelente para los principios bsicos de la electrnica. En nuestro caso utilizaremos el Live Wire (en adelante LW) en su versin profesional 1.11 pero prcticamente salvo algunos componentes, las versiones anteriores son perfectamente compatibles y las explicaciones son prcticamente idnticas.

Instalacin y prueba del Live Wire

Cuando termine la instalacin aparecer un icono en la pantalla como el indicado en la figura 1.

Fig.1 Icono del LW

Haciendo click sobre este icono, aparecer la pantalla del LW que puede considerarse como un laboratorio bsico con todo lo necesario para realizar nuestra primera prctica y todas las siguientes.

Fig.2 Pantalla inicial de LW

Es posible que al iniciar el trabajo no aparezca el bloque Gallery de la derecha que representa la estantera donde estn guardados los instrumentos y los materiales. En ese caso pique sobre View arriba a la izquierda y se desplegar una pantalla en donde debe tildar Gallery. Al salir de la pantalla desplegable aparecer la mencionada estantera.

Fig.3 Pantalla desplegable Wiew predisponiendo "Gallery"

Los componentes e instrumentos estn ordenados dentro de esta estantera de modo que Ud. pueda encontrarlos fcilmente. Le aconsejamos picar en la flecha desplegable dirigida hacia abajo para observar todas las alternativas posibles.

Fig.4 Pantalla desplegable de Gallery

En nuestro primer trabajo prctico vamos a trabajar con una fuente de tensin (Power Supplies); resistores, que se encuentran en componentes pasivos (Passive Components) y un tester que se encuentra en Measuring.

Fig. 5 Componentes desconectados

Ud puede sacar esos componentes haciendo click y trasladando sobre la parte activa de la pantalla que representa a su mesa de trabajo. Y ahora solo basta con unir los componentes con cables virtuales realizando el circuito de la figura6.

Fig.6. Componentes conectados

Para conectar los componentes haga click sobre una punta del componente y arrastre hasta el otro componente que desea conectar, all suelte y la conexin quedara terminada. Luego puede picar sobre los cables y acomodarlos. Si desea realizar un tendido con un cambio de direccin suelte momentneamente donde desee cambiar y luego vuelva a pulsar y terminar la conexin.

Con todo esto podemos decir que la instalacin y la prueba ya esta terminada. En la siguiente seccin aprenderemos a usar el LW.

Simulacin del circuito elemental

Haciendo doble click sobre la batera y aparecer una ventanita en donde aparece el valor de la tensin de la misma.

Fig.7 Cambio del valor de los componentes

Todos los componentes presentan una pantalla similar en donde se pueden cambiar su cdigo de posicin dentro del circuito (en este caso B1 de batera 1) o el valor de tensin (en este caso cambiar 9V por 1,5V). E inclusive se puede poner algn mensaje explicativo en la ventana caption. En nuestro caso el resistor no necesita modificacin porque su valor por defecto es el que necesitamos.

Si Ud. desea ubicar los textos en una posicin diferente solo necesita hacer click sobre el valor y correrlo. Pulse F9 para que comience la simulacin. De inmediato observar dos cosas.

Dentro del tester aparece el numero 1,5 indicando la tensin de la pila.

Y en la parte de abajo del marco observar una ventanita marcada Time que indica el tiempo de la simulacin que por lo general difiere del tiempo real dependiendo de la velocidad de la computadora. En el presente trabajo prctico la corriente y la tensin se establecen de inmediato. Pero posteriormente veremos otros circuitos en donde los parmetros son una funcin del tiempo transcurrido.

Si Ud. desea saber cmo circula la corriente por este circuito solo tiene que hacer click sobre la pestaa current flow del margen izquierdo. Observar que el fondo cambia a negro y se observan puntos que representan grupos de electrones circulando por el circuito. Reduzca a 100 Ohms el valor del resistor y observar como aumenta la corriente por los conductores la pila y el resistor. Para conocer el valor de la tensin respecto del negativo de la pila y el valor de la corriente solo debe arrastrar la flecha hasta el punto en donde desea hacer la medicin.

Fig.8 Circulacin de la corriente y valores de tensin con 100 Ohms

Pruebe cambiar el valor de la pila y observar inmediatamente el resultado sobre la corriente. Por qu no hay circulacin de corriente hacia el tester? En realidad existe una pequea corriente por el tester pero la misma es tan pequea que se la suele considerar despreciable. En efecto un tester digital normal suele tener una resistencia interna equivalente muy alta, del orden de los 4 Mohms o mas dependiendo de su costo. Entonces es fcil entender que los electrones al llegar a un nodo (palabra equivalente a nudo) desde la batera, circulan en su gran mayora por el resistor que ofrece poca resistencia y muy pocos a travs del tester.

Si Ud. desea tener una indicacin permanente de la tensin y la corriente puede recurrir a la colocacin de los llamados instrumento de panel. Son equivalentes a aquellos que se utilizan atornillados a un tablero, e indican su parmetro en forma permanente. Detenga la simulacin apretando control F9 y agregue un voltmetro y un ampermetro de panel.

Fig.9 Colocacin de un ampermetro y un voltmetro

Observe que ambos instrumentos indican permanentemente los parmetros del circuito y permiten determinar un valor y ajustar otro para conseguir un determinado nivel en el tercero, sin realizar ninguna operacin matemtica. Por ejemplo si coloco una batera de 12V que valor de resistencia debo colocar para que circulen 1,5 mA?

Simplemente cambie la tensin de batera a 12V. y luego coloque una resistencia cualquiera. Por ejemplo 200 Ohms. Observe la corriente. Su valor obtenido inmediatamente es de 60 mA. Demasiado alto. Poniendo 2K la corriente se establece en 6 mA (observe que no hace falta detener la simulacin para cambiar un valor). Ya estamos ms cerca, pero aun el resistor es demasiado alto. Como el sistema es lineal de inmediato nos damos cuenta que para que la corriente baje a 3 mA debo duplicar la resistencia y para lograr 1,5 mA debo duplicarla nuevamente. Por lo tanto probamos con 8K.

En el laboratorio virtual encontramos resistores de todos los valores pero en la realidad solo se encuentran aquellos que corresponde con la serie 1 1.2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 y 10 es decir que en nuestro caso lo ms cercano que podremos colocar en la realidad es de 8,2 K. Si lo hacemos la corriente se establece en 1,46 mA. Si es aceptable se lo deja as. En caso contrario queda un recurso que es conectar un resistor de alto valor R2 en paralelo con el resistor R1 de modo tal que se pueda ajustar la corriente al valor requerido.

Fig.10 Ajuste de la corriente con valores normalizados de resistencia

Cul es el valor real de los dos resistores en paralelo? Ms adelante veremos que existe una frmula de clculo pero el laboratorio virtual permite realizar sencillamente la medicin a condicin de que se desconecte una de las patas del resistor. En la figura siguiente se puede observar cmo se realiza tal medicin. El tester debe predisponerse como hmetro pulsando sobre l con el botn derecho del mouse (BDM). Luego se elige Ohm y se arranca la simulacin con F9.

Fig.11 Medicin de la resistencia equivalente paralela

Como se puede observar se obtiene el valor original de 8Koms.

Un caso muy particular ocurre con la medicin de corriente. Ya vimos que los medidores de tensin o voltmetros, tienen una resistencia interna equivalente a varios megohms para que su inclusin en el circuito no modifique las caractersticas del mismo. Por la misma razn, un medidor de corriente o ampermetro debe tener un bajo valor de resistencia, ya que siempre se lo conecta en serie con el circuito. Dada esa caracterstica, si por error se lo conecta sobre la fuente, circula una corriente muy elevada que quema el instrumento. Por esa razn los ampermetros de hasta 1 A incluidos en un tester, tienen un fusible de 2 amperes.

En la figura 12 se puede observar el circuito necesario para que ocurra una dramatizacin de este hecho, en donde conectamos un ampermetro sobre una fuente, pero mostrando el fusible como un componente externo. El fusible se encuentra al final de la seccin power supplies de Gallery.

Fig.12. Ampermetro mal conectado

Luego se debe entrar en las pestaas desplegables superiores y elegir explosions de acuerdo a la figura siguiente.

Fig.13 Predisposicin explosiva

Cuando comience la simulacin con F9 se producir la quemadura inmediata del fusible indicando el error de conexin.

Prctica real

No hay mucho para agregar en la prctica real que sea diferente a la prctica simulada. Simplemente debemos armar el circuito de prueba en una plaqueta perforada y luego realizar las mediciones. El tester digital real tiene una perilla selectora de funciones, ella permite predisponer el tester como voltmetro, como ampermetro o como hmetro, seleccionando adems el valor de escala en cada caso. Es muy comn que por razones de seguridad, se utilicen dos bornes diferentes del tester para la medicin de corriente y de tensin.

Realice la prctica de ajustar la corriente a 1,5 mA cuando la tensin de fuente es de 12V, para familiarizarse con los valores de resistencia de la serie del 5% que es la ms utilizada habitualmente.

Conclusiones

En esta unidad didctica aprendimos a utilizar una poderosa herramienta de estudio que es el laboratorio virtual LW. En realidad solo vislumbramos su utilidad, porque lo empleamos para resolver un circuito muy elemental. Cuando los circuitos se hagan mucho ms complicados el uso de los laboratorios virtuales resultar prcticamente imprescindible para obtener una solucin simple y rpida a todos nuestros problemas.

Le aconsejamos al lector que practique con su laboratorio virtual porque ese es el mejor modo de aprender. Este curso no es un curso para leer, es un curso para practicar, primero en forma virtual y luego en forma real. Cumpla con todas las modalidades si pretende aprender realmente.

3/ Leyes de KirchhoffLas leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras an era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniera elctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito elctrico. Surgen de la aplicacin de la ley de conservacin de la energa.

Estas leyes nos permiten resolver los circuitos utilizando el conjunto de ecuaciones al que ellos responden. En la leccin anterior Ud. conoci el laboratorio virtual LW. El funcionamiento de este y de todos los laboratorios virtuales conocidos se basa en la resolucin automtica del sistema de ecuaciones que genera un circuito elctrico. Como trabajo principal la PC presenta una pantalla que semeja un laboratorio de electrnica pero como trabajo de fondo en realidad est resolviendo las ecuaciones matemticas del circuito. Lo interesante es que lo puede resolver a tal velocidad que puede representar los resultados en la pantalla con una velocidad similar aunque no igual a la real y de ese modo obtener grficos que simulan el funcionamiento de un osciloscopio, que es un instrumento destinado a observar tensiones que cambian rpidamente a medida que transcurre el tiempo.

En esta entrega vamos a explicar la teora en forma clsica y al mismo tiempo vamos a indicar como realizar la verificacin de esa teora en el laboratorio virtual LW.

La primera Ley de Kirchoff

En un circuito elctrico, es comn que se generen nodos de corriente. Un nodo es el punto del circuito donde se unen ms de un terminal de un componente elctrico. Si lo desea pronuncie nodo y piense en nudo porque esa es precisamente la realidad: dos o ms componentes se unen anudados entre s (en realidad soldados entre s). En la figura 1 se puede observar el ms bsico de los circuitos de CC (corriente continua) que contiene dos nodos.

Fig.1 Circuito bsico con dos nodos

Observe que se trata de dos resistores de 1Kohms (R1 y R2) conectados sobre una misma batera B1. La batera B1 conserva su tensin fija a pesar de la carga impuesta por los dos resistores; esto significa cada resistor tiene aplicada una tensin de 9V sobre l. La ley de Ohms indica que cuando a un resistor de 1 Kohms se le aplica una tensin de 9V por el circula una corriente de 9 mA

I = V/R = 9/1.000 = 0,009 A = 9 mAPor lo tanto podemos asegurar que cada resistor va a tomar una corriente de 9mA de la batera o que entre ambos van a tomar 18 mA de la batera. Tambin podramos decir que desde la batera sale un conductor por el que circulan 18 mA que al llegar al nodo 1 se bifurca en una corriente de 9 mA que circula por cada resistor, de modo que en el nodo 2 se vuelven a unir para retornar a la batera con un valor de 18 mA.

Fig.2 Aplicacin de la primera ley de Kirchoff

Es decir que en el nodo 1 podemos decir que

I1 = I2 + I3y reemplazando valores: que

18 mA = 9 mA + 9 mAy que en el nodo 2

I4 = I2 + I3Es obvio que las corrientes I1 e I4 son iguales porque lo que egresa de la batera debe ser igual a lo que ingresa.

Simulacin de la primera Ley de Kirchoff

Inicie el LW. Dibuje el circuito de la figura 2. Luego pulse la tecla F9 de su PC para iniciar la simulacin. Como no se utiliz ningn instrumento virtual no vamos a observar resultados sobre la pantalla. Pero si Ud. pulsa sobre la solapa lateral marcada Current Flow observar un dibujo animado con las corrientes circulando y bifurcndose en cada nodo.

Para conocer el valor de la corriente que circula por cada punto del circuito y la tensin con referencia al terminal negativo de la batera, no necesita conectar ningn instrumento de medida. Simplemente acerque la flecha del mouse a los conductores de conexin y el LW generar una ventanita en donde se indica V e I en ese lugar del circuito. Verifique que los valores de corriente obtenidos anteriormente son los correctos.

Para detener la simulacin solo debe pulsar las teclas Control y F9 de su PC al mismo tiempo.

Enunciado de la primera Ley de Kirchoff

La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primera ley de Kirchoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes.

La razn por la cual se cumple esta ley se entiende perfectamente en forma intuitiva si uno considera que la corriente elctrica es debida a la circulacin de electrones de un punto a otro del circuito. Piense en una modificacin de nuestro circuito en donde los resistores tienen un valor mucho ms grande que el indicado, de modo que circule una corriente elctrica muy pequea, constituida por tan solo 10 electrones que salen del terminal positivo de la batera. Los electrones estn guiados por el conductor de cobre que los lleva hacia el nodo 1. Llegados a ese punto los electrones se dan cuenta que la resistencia elctrica hacia ambos resistores es la misma y entonces se dividen circulando 5 por un resistor y otros 5 por el otro. Esto es totalmente lgico porque el nodo no puede generar electrones ni retirarlos del circuito solo puede distribuirlos y lo hace en funcin de la resistencia de cada derivacin. En nuestro caso las resistencias son iguales y entonces enva la misma cantidad de electrones para cada lado. Si las resistencias fueran diferentes, podran circular tal vez 1 electrn hacia una y nueve hacia la otra de acuerdo a la aplicacin de la ley de Ohm.

Mas cientficamente podramos decir, que siempre se debe cumplir una ley de la fsica que dice que la energa no se crea ni se consume, sino que siempre se transforma. La energa elctrica que entrega la batera se subdivide en el nodo de modo que se transforma en iguales energas trmicas entregadas al ambiente por cada uno de los resistores. Si los resistores son iguales y estn conectados a la misma tensin, deben generar la misma cantidad de calor y por lo tanto deben estar recorridos por la misma corriente; que sumadas deben ser iguales a la corriente entregada por la batera, para que se cumpla la ley de conservacin de la energa.

En una palabra, que la energa elctrica entregada por la batera es igual a la suma de las energas trmicas disipadas por los resistores. El autor un poco en broma suele decir en sus clases. Como dice el Martn Fierro, todo Vatio que camina va a parar al resistor. Nota: el Vatio es la unidad de potencia elctrica y ser estudiado oportunamente.

Segunda Ley de Kirchoff

Cuando un circuito posee ms de una batera y varios resistores de carga ya no resulta tan claro como se establecen las corrientes por el mismo. En ese caso es de aplicacin la segunda ley de kirchoff, que nos permite resolver el circuito con una gran claridad.

En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de batera que se encuentran al recorrerlo siempre sern iguales a la suma de las cadas de tensin existente sobre los resistores.

En la figura siguiente se puede observar un circuito con dos bateras que nos permitir resolver un ejemplo de aplicacin.

Fig.3. Circuito de aplicacin de la segunda ley de Kirchoff

Observe que nuestro circuito posee dos bateras y dos resistores y nosotros deseamos saber cul es la tensin de cada punto (o el potencial), con referencia al terminal negativo de B1 al que le colocamos un smbolo que representa a una conexin a nuestro planeta y al que llamamos tierra o masa. Ud. debe considerar al planeta tierra como un inmenso conductor de la electricidad.

Las tensiones de fuente, simplemente son las indicadas en el circuito, pero si pretendemos aplicar las cadas de potencial en los resistores, debemos determinar primero cual es la corriente que circula por aquel. Para determinar la corriente, primero debemos determinar cul es la tensin de todas nuestras fuentes sumadas. Observe que las dos fuentes estn conectadas de modos que sus terminales positivos estn galvnicamente conectados entre s por el resistor R1. Esto significa que la tensin total no es la suma de ambas fuentes sino la resta. Con referencia a tierra, la batera B1 eleva el potencial a 10V pero la batera B2 lo reduce en 1 V. Entonces la fuente que hace circular corriente es en total de 10 1 = 9V . Los electrones que circulan por ejemplo saliendo de B1 y pasando por R1, luego pierden potencial en B2 y atraviesan R2. Para calcular la corriente circulante podemos agrupar entonces a los dos resistores y a las dos fuentes tal como lo indica la figura siguiente.

Fig.4 Reagrupamiento del circuito

El circuito de la figura 4 es igual al circuito de la figura 3? No, este reagrupamiento solo se genera para calcular la corriente del circuito original. De acuerdo a la ley de Ohms

I = Et/R1+R2Porque los electrones que salen de R1 deben pasar forzosamente por R2 y entonces es como si existiera un resistor total igual a la suma de los resistores

R1 + R2 = 1100 OhmsSe dice que los resistores estn conectados en serie cuando estn conectados de este modo, de forma tal que ambos son atravesados por la misma corriente igual a

I = (10 1) / 1000 + 100 = 0,00817 o 8,17 mAAhora que sabemos cul es la corriente que atraviesa el circuito podemos calcular la tensin sobre cada resistor. De la expresin de la ley de Ohm

I = V/Rse puede despejar que

V = R . Iy de este modo reemplazando valores se puede obtener que la cada sobre R2 es igual a

VR2 = R2 . I = 100 . 8,17 mA = 817 mVy del mismo modo

VR1 = R1 . I = 1000 . 8,17 mA = 8,17 VEstos valores recin calculados de cadas de tensin pueden ubicarse sobre el circuito original con el fin de calcular la tensin deseada.

Fig.5 Circuito resuelto

Observando las cuatro flechas de las tensiones de fuente y de las cadas de tensin se puede verificar el cumplimiento de la segunda ley de Kirchoff, ya que comenzando desde la masa de referencia y girando en el sentido de las agujas del reloj podemos decir que

10V 8,17V 1V 0,817 = 0 Vo realizando una transposicin de trminos y dejando las fuentes a la derecha y las cadas de tensin a la izquierda podemos decir que la suma de las tensiones de fuente

10V 1V = 8,17V + 0,817 = 8,987 = 9VY adems podemos calcular fcilmente que la tensin sobre la salida del circuito es de

0,817V + 1V = 1,817Vcon la polaridad indicada en el circuito es decir positiva.

Trabajo prctico en el laboratorio virtual

Nuestro trabajo prctico consiste en dibujar el circuito en el LW. Activarlo con F9 y recorrerlo con el cursor anotando las cadas de tensin y la corriente en cada punto del mismo. Se podr verificar el cumplimiento estricto de los valores calculados.

Posteriormente lo invitamos a resolver otro circuito que es el indicado a continuacin para el cual le damos una ayuda.

Fig.6 Circuito para resolver por el alumno

La ayuda que le vamos a dar es la siguiente:

1. Considere al circuito completo como construido con dos mayas. La maya I y la maya II. Resuelva la corriente en la malla I solamente, suponiendo que la II est abierta.

2. Luego haga lo propio con la malla II; cada malla va a generar una corriente por R3.

3. Smelas considerando sus sentidos de circulacin y obtendr la corriente real que la recorre cuando las dos mallas estn conectadas y de all podr calcular la cada de tensin sobre R3.

4. Luego debe obtener las otras cadas de tensin y establecer la segunda ley de Kirchoff.

5. Por ltimo calcular la tensin de salida V1.

6. Luego dibuje el circuito en el LW y verifique que el resultado hallado corresponda con el circuito virtual y por supuesto con la realidad.

Descargas

Livewire 1.2 Education Demo leccion3.lvw Trabajo prctico Leyes de Kirchoff

ConclusionesDe este modo ya estamos en poder de valiosas herramientas de trabajo que se utilizan todos los das en la resolucin de circuitos electrnicos simples, que ayudan al reparador a determinar los valores de tensin y corriente, existentes en los circuitos.En la prxima leccin, vamos a trabajar con fuentes de tensin alterna aplicadas a circuitos con resistores. Posteriormente, vamos a presentarle los dos componentes pasivos que acompaan al resistor en los circuitos ms comunes: el capacitor y el inductor y en poder de todo este conocimiento, le vamos a explicar cmo armar y probar su primer dispositivo til; una radio elemental que nos permitir conocer conceptos muy importantes de la electrnica.4/ El resistorEl alma de la electrnica y su personaje ms importante es el resistor, pero no es el nico personaje de nuestra novela. En efecto los personajes se diferencia en activos y pasivos y dentro de los pasivos se encuentran otros personajes que seguramente Ud. debe por lo menos conocer de nombre: el capacitor, el inductor, el transformador, el potencimetro, etc. Entre los activos se encuentras el diodo el transistor, la vlvula (o su versin moderna los tubos de televisin y los display termoinicos).

Nuestro estudio recin comienza, en esta leccin vamos a hablar de la personalidad de nuestro principal acto: el resistor. El resistor es el nico componente electrnico que est diseado para segn se dice disipar energa elctrica. El trmino disipar no es realmente es ms adecuado, porque como ya sabemos existe un principio fundamental en la fsica que dice que:

La energa no se crea ni se pierde solo se transforma

Por lo tanto el autor prefiere decir que el resistor es el nico componente que transforma energa elctrica en energa trmica.

Como sabemos que nuestros alumnos son personas curiosas que alguna vez tocaron un transformador y observaron que estaba caliente, es que no queremos dejarlos con la duda. Si, es cierto, un transformador se calienta pero calentarse no es la funcin para la cual fue creado. Es una caracterstica secundaria de su funcionamiento y totalmente indeseada; un transformador de buena calidad trabaja ms fro que uno de mala calidad. Por otro lado podramos aclarar ms aun el panorama y decir que el transformador se calienta porque est construido con alambre de cobre y el alambre de cobre tiene cierta resistencia que es la que transforma energa elctrica en calor.

Si el alambre se hace ms grueso tiene menos resistencia y entonces se calienta menos. En el lmite si el alambre pudiera hacerse de dimetro infinito no tendra resistencia y el transformador cumplira con su funcin primaria sin calentarse para nada.

Por lo tanto y parafraseando un viejo dicho criollo que dice que todo bicho que camina va a parar al asador podramos decir que toda carga que camina va a parar al resistor.

Por qu se calienta un resistor?

Como a una persona, a las molculas o a los tomos que forman a nuestro resistor no les gusta que les peguen. Cuando les pegan reaccionan calentndose. Y quin les pega a las molculas? Los electrones que circulan por el resistor saltando de tomo en tomo del material que las forma. Esto significa que cuando ms electrones circulan mayor calor se produce. Para hacerlo ms prctico podramos decir que la temperatura del resistor depende de la corriente elctrica que circula por l y para ser finos podramos explicarlo matemticamente diciendo que

T = F (I)que se lee: la temperatura es funcin de la corriente circulante por el resistor.

Igual que cuando le pegan a una persona, no todo depende de la cantidad de golpes que le pegan en un intervalo de tiempo determinado. Tambin depende de la velocidad de los puos a la cual se aplican esos golpes. En nuestro caso depende de la velocidad a la cual se desplazan los electrones dentro del resistor y eso depende de la diferencia de potencial o tensin aplicada al resistor. Es decir que matemticamente podramos decir que tambin

T = F (V)Es decir que combinando las expresiones matemticas

T = F (I,V)No se maree con las formulas, ellas nos deben hacer las cosas ms sencillas sino no tiene sentido aplicarlas. Todo lo que nos dice la ltima expresin es que la temperatura del resistor depende de la corriente que circula por l y de la tensin aplicada al resistor. Los electrnicos aprendemos con ejemplos. En la figura siguiente se puede observar un circuito muy sencillo en donde un resistor est conectado a una fuente de alimentacin pero utilizando un ampermetro y un voltmetro para medir la tensin aplicada y la corriente que circula por el resistor. Tambin se conecta un instrumento nuevo llamado Vatmetro o medidor de potencia elctrica cuya indicacin depende tanto de la tensin aplicada como de la corriente que circula.

Fig1. Medicin de la potencia sobre un resistor

Primero analicemos algo extrao que no podemos dejar pasar. Por qu si la fuente es de 9V al resistor solo le llegan 8,92V? La respuesta es muy simple; porque el ampermetro tiene una resistencia interna considerable en donde se produce una cada de tensin. Esto no es un problema del laboratorio virtual sino una virtud. Los instrumentos reales tambin tienen resistencia interna. En el LW la resistencia interna del ampermetro no puede modificarse y es de 100 mOhms, otros laboratorios virtuales permite cambiar dicho valor. Los voltmetros tambin tiene una resistencia interna pero de elevado valor para que puedan ser conectados sobre la fuente sin generar elevadas corrientes. Por ejemplo en el LW un voltmetro tiene una resistencia interna de 50 Mohms.

La disposicin de la figura no es la nica posible para medir tensin y corriente, podra conectarse el voltmetro sobre la fuente y el ampermetro en serie con la carga. Cada una de las formas de conectar los instrumentos tiene un nombre. La primera se llama de tensin bien medida (porque se mide la tensin directamente sobre el resistor) y la segunda de corriente bien medida porque se mide correctamente la corriente circulante por el resistor.

En el mismo circuito se observa la conexin de un instrumento que posee cuatro bornes. Se trata de un vatmetro; este instrumento nos indica directamente la potencia disipada en el resistor que como podemos observar es de 7,95W.

El vatmetro no es un instrumento comn. Por lo general cuando un reparador necesita conocer la potencia disipada en un resistor. Mide la corriente y la tensin y realiza el clculo de la potencia mediante la frmula correspondiente que es

P = V x IEn nuestro caso reemplazando valores obtenemos que

8,92V x 0,891A = 7.95WComo puede observar el lector, se trata de un clculo muy sencillo que no merece poseer un instrumento especial como un vatmetro.

Ahora sabemos que potencia se desarrolla en un resistor, pero no era precisamente eso lo que buscbamos. Nosotros queremos saber cunto se calienta un resistor. Todo lo que podemos decir hasta ahora es que el resistor se va a calentar a una temperatura que es proporcional a la potencia disipada en l. Matemticamente

T = F (P)Pero esa funcin no es fcil de hallar porque depende de las dimensiones fsicas del resistor. Como ya dijimos la funcin del resistor es transformar energa elctrica en energa trmica o calor. Es decir que calienta el ambiente, el aire que lo rodea. La temperatura de su cuerpo es funcin de cuanto aire pueda calentar y eso es a su vez funcin de su superficie externa. Es decir que un resistor pequeo se va a calentar ms pero va a generar menos cantidad de aire caliente. Con el tiempo el ambiente se va a calentar a la misma temperatura pero el resistor no;el resistor se calienta ms y si llega a su temperatura mxima de trabajo se quema y tenemos una falla elctrica.En realidad al diseador de un circuito no le interesa saber a qu temperatura se calienta un resistor; lo que le interesa es saber que resistor debe colocar en una determinada parte del circuito para que no se queme. Por esa razn cuando Ud. va a comprar un resistor de por ejemplo 1K el vendedor le pregunta de qu potencia? En efecto, l seguramente tiene resistores de 1K desde 0,125W hasta 50W. Los de 0,125W (1/8 de W) son muy pequeos y de carbn y los de 50W son muy grandes y de alambre.

Resistores de carbn depositado

Un resistor de carbn depositado se fabrica depositando carbn sobre un cilindro de material cermico. Luego se agregan casquillos metlicos con terminales de alambre sobre sus puntas y por ltimo se cubren de una pintura epoxi y se pintan las bandas de color que indican sus caractersticas.

En realidad con este mtodo solo se fabrican algunos valores de resistencia como por ejemplo 1 Ohms, 10 Ohms, 100 Ohms, 1 Kohms, 10 Kohms, 100 Kohms, 1 Mohms y 10 Mohms que se suelen llamar cabezas de serie y que se diferencian en la cantidad de carbn depositado sobre los cilindros cermicos (el espesor y tipo de grafito).

El resto de los valores se realizan por torneado de esos cilindros con un torno que hace un canal helicoidal en el carbn, al mismo tiempo que mide la resistencia y detiene el torneado cuando el resistor tiene el valor deseado.

En La figura siguiente podemos observar una fotografa de los resistores ms comunes utilizados en la electrnica; los resistores de carbn depositado que se fabrican en varias potencias diferentes y en una amplia gama de resistencias. Como trabajo prctico le recomendamos al alumno que tome un resistor de este tipo y le saque la pintura externa para observar su construccin.

Fig.2 Resistores de carbn depositado

En la fotografa no se pueden apreciar las dimensiones de los resistores, por eso le damos una tabla de valores con todos los resistores que normalmente se fabrican y su modelo que es algo uniformado para todos los fabricantes.

TipoL (longitud)D (dimetro)H (largo terminales)d (dimetro teminarles)

R163,2 mx.1,8 0,2528 10,5

R256,2 0.52,3 0,2528 10,6

R506,5 0,52,3 0,2528 10,6

R10015 0,56 0,430 30,8

Tabla de resistores de carbn depositado (dimensiones en mm)

R16, R25 etc. es el modelo del resistor.L: Longitud entre los casquillos sin considerar los terminalesD: Dimetro mximo (medido sobre los casquillos)H: Largo de los terminalesd: Dimetro de los terminales

Las especificaciones ms importantes de estos resistores se pueden observar en la siguiente tabla.TipoPotenciadedisipacin nominalTensin mx.de trabajoTensin mx.de sobrecargaRango de resistenciaTemperatura ambiente

G=2%J=5%

R 160,16w250v400v10 220k1 10M70

R 250,25w300v600v10 510k1 10M70

R 500.50w350v700v10w 1M1 10M70

R 1001w500v1000v70

Tabla de caractersticas de los resistores de carbn depositado

La primera columna es la disipacin del resistor que se debe entender del siguiente modo: La temperatura de un resistor depende de la potencia disipada pero no es independiente de la temperatura ambiente dentro del equipo. Por esa razn, en la columna final indica que todos los valores anteriores son para una temperatura ambiente mxima de 70C. A esa temperatura si a un resistor modelo R16 se le hace disipar 0,16W el mismo llega a la temperatura mxima de trabajo.

Pero los resistores tienen una limitacin ms. Aunque no se haya llegado al valor mximo de potencia disipable por el resistor si la tensin supera un determinado valor el resistor se daa porque se perfora dielctricamente el surco del grafito. Esa tensin se encuentra en la tercera columna que indica la tensin mxima de trabajo a la cual pueden funcionar permanentemente los resistores. En la cuarta columna hay otro valor de tensin que est indicado como Tensin mxima de sobrecarga. Este valor indica que en forma espordica y por corto tiempo sobre el resistor se puede aplicar una tensin mayor a la de trabajo.

En la quinta columna est indicado el rango de resistencia posible para cada modelo. Observe que el fabricante utiliza la letra w en lugar de Ohms. Adems la columna esta desdoblada en otras dos con las letras G y J que indican la tolerancia de los resistores. A continuacin le explicamos que se entiende como tolerancia.

Tolerancia de los componentes electrnicos

Si yo digo que la electrnica es una ciencia muy inexacta seguramente Ud. se va a sorprender. Sin embargo es as ya que los componentes pasivos se utilizan con tolerancias del 5%. Un resistor especial de precisin puede tener una tolerancia del 2%. Se imagina si la tolerancia de una pieza mecnica comn como un tornillo y una tuerca se fabricaran con una tolerancia del 5%. Seguramente no habra modo de colocar una tuerca en un tornillo que tuviera un +5% de tolerancia si la tuerca tuviera un -5% de tolerancia. Si por ejemplo el tornillo fuera de 3 mm, ese 5% implica que podra llegar a tener 3,15 mm y la tuerca tendra 2,85 mm.

La ciencia electrnica es en realidad muy exacta; ya que el diseo de los circuitos esta realizado de modo tal que absorbe dichas tolerancias a pesar de usar componentes individuales muy poco exactos. Inclusive ms adelante vamos a analizar componentes que tienen una tolerancia mayor. Por ejemplo de -20 +50%.

Los valores de los componentes estn uniformados para todos los fabricantes en algo que se llama serie. Por ejemplo la serie del 20% est compuesta del siguiente modo:

11,21,51,82,22,73,33,94,75,66,88,210

Esto significa que solo existen resistores de 1 Ohm, 1,2 Ohms , 1,5 Ohms etc. hasta llegar a 10 Ohms. Luego seguirn resistores de 12 Ohms, 15 Ohms 18 Ohms, etc y al llegar a 100 Ohms la serie salta a 120 Ohms y as sucesivamente. Esta no es la nica serie que existe. Los resistores de carbn se fabrican tambin segn la serie del 10% y del 5% existiendo por ltimo resistores de la serie del 1% fabricado para instrumentos de precisin.

Resistores especiales

Hasta ahora vimos los resistores de uso ms comn en electrnica. Pero estos estn muy lejos de ser los nicos que se fabrican. Es muy comn por ejemplo que se recurra a resistores de potencia mayor a 1W. En ese caso un resistor de carbn resultara muy voluminoso porque el carbn solo soporta temperaturas del orden de los 250C. Inclusive se debe considerar que estn soldados con aleaciones de estao plomo cuya temperatura de fusin es de 180C. Si llegamos a 250 C de temperatura sobre el casquillos del resistores es posible que este no se queme pero se desuelde. Por esa razn en muchos casos los resistores se colocan alejados de la plaqueta (por ejemplo a 10 mm de altura) de modo que no transmitan el calor directamente a la soldadura.

Por arriba de 1 W se suele recurrir a resistores de alambre o a resistores de metal depositado en donde en lugar de depositar carbn sobre un cilindro cermico, se deposita un metal que soporta mayor temperatura. Por lo dems estos resistores se fabrican de modo similar a los de carbn y llegan hasta potencias del orden de 3 a 5 W.

Los resistores de alambre pueden tener diferentes formas de acuerdo a su potencia. Es muy difcil que un equipo moderno utilice resistores de ms de 10W porque esos significara un diseo poco logrado y sobre todo poco ecolgico, ya que si un dispositivo cualquiera irradia calor al ambiente como efecto secundario, significa que hay un consumo de energa elctrica mayor que se debe pagar todos los meses cuando llega la cuenta de energa elctrica.

Otros resistores especiales estn construidos, no para disipar ms potencia, sino para soportar una mayor tensin aplicada sobre ellos. En los comercios se los conoce por su nombre en Ingles metal glazed que no tiene una traduccin precisa. Su tamao suele ser el correspondiente al modelo R25 pero soportan una tensin de trabajo de 1KV.

El cdigo de colores de resistores

Los resistores se identifican por un cdigo de colores pintado en forma de barras sobre su cuerpo. Los de una precisin del 5% poseen cuatro bandas de colores, que comienzan sobre uno de los casquillos y terminan a mitad del cuerpo aproximadamente. Para leer un resistor, Ud. debe anotar en un papel el nmero equivalente a la banda mas externa, luego la siguiente y por ltimo agregar tantos ceros como lo indique la tercer banda. La ltima banda tiene un color especial que indica la tolerancia. Si es dorada significa que tiene una tolerancia del 5%, si es plateada que su tolerancia es del 10% y si no tiene banda del 20%. En equipos modernos solo existen resistores con una banda dorada porque ya no se fabrican resistores del 10 o el 20%.

Fig 3.Cdigo de colores de resistores

Resistores de montaje superficial

Los equipos ms modernos poseen resistores de montaje superficial que no tiene terminales o alambres de conexin. Por lo tanto solo se pueden conectar al circuito impreso por el lado de la impresin de cobre. El circuito impreso posee una extensin en donde apoya el resistor SMD que tiene forma de paralelepido (cubo alargado) con dos cabezas metalizas para su soldadura.

En la figura 4 se puede observar diferentes resistores SMD con su notacin caracterstica.

Fig.4 Marcacin de los componentes SMD

Identificar el valor de un resistor SMD es ms sencillo que hacerlo en un resistor convencional, ya que las bandas de colores son reemplazadas por sus equivalentes numricos y as se estampan en la superficie del resistor, la banda indicadora de tolerancia desaparece y se la presupone en base al nmero de dgitos alfanumricos que se indican, es decir: un nmero de tres dgitos nos indica con esos tres dgitos el valor del resistor, y la ausencia de otra indicacin nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia del 5%. Un nmero de cuatro dgitos indica con los cuatro dgitos alfanumricos su valor y nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia de error del 1%.

La potencia o modelo del resistor solo se puede determinar en funcin del tamao del mismo. Pero los fabricantes uniformaron su criterio de modo que los resistores se individualizan por su largo y su ancho. En la fotografa de la figura 5 se pueden observar un resistor cuyas medidas reales son de 12 mm de largo por 6 de ancho y un espesor o altura de 1 mm.

Fig.5 Resistor SMD tipo 1206 de 10K

Conclusiones

As estudiamos a uno de los personajes ms conocidos de la electrnica: el resistor y lo hicimos con lujo de detalles para que el alumno no dude cuando deba identificarlo en un circuito.

En la prxima leccin, vamos a presentar a un personaje tambin muy conocido que es el capacitor y veremos que en realidad, del mismo modo que el resistor, se trata de una familia completa, porque los hay de diferentes tipos y materiales.

5/ El capacitor

El resistor es el componente pasivo por naturaleza. Su funcin es disipar energa. l transforma energa elctrica en energa trmica. Podramos decir que es un intercambiador de calor y no nos equivocaramos. En un circuito con resistores la energa elctrica se disipa. El resistor no acumula solo gasta. La pila o batera acumula y si es perfecta no gasta o transforma en calor y su energa acumulada permanece inalterable en el tiempo, solo el circuito externo es capaz de gastarla.

Pero existen otros componentes que sirven para acumular energa elctrica a saber el capacitor que presentamos hoy y el inductor que presentaremos ms adelante. Esos dos componentes forman un grupo llamado reactivos y cuando son perfectos, es decir no tienen prdidas que pueden considerarse como componentes resistivas, nunca se calientan. Solo acumulan e intercambian energa entre ellos.

En nuestro curso ya utilizamos capacitores aun sin saberlo, al tratar el tema de los cuerpos cargados electrostticamente. Recuerda cuando cargamos un cuerpo metlico con una carga positiva y otra negativa? Y luego los conectamos con una varilla metlica. Los cuerpos se descargaban haciendo circular electrones desde el cuerpo negativo al positivo hasta que ambos estuvieran al mismo potencial elctrico (a la misma tensin).

La carga de un capacitor

La construccin interna del capacitor nos recuerda a esa experiencia. En la figura 1 se pueden observar dos bolitas metlicas que forman un capacitor elemental.

Fig1 Capacitor elemental

Con este dispositivo tan simple vamos a establecer algunos conceptos muy precisos. Para cargar el capacitor elemental solo se requiere un cuerpo cargado por frotamiento, una pila o un generador mecnico de tensin continua (dnamo). Para cargar nuestro dispositivo podemos apoyar su barra superior al terminal positivo de la pila y su terminal inferior a la negativa. Inmediatamente se produce una circulacin de electrones desde la pila a la bolilla inferior y desde la bolilla superior a la pila.

Esta circulacin solo es momentnea al apoyar las barras; un tiempo despus la circulacin cesa porque se produjo un equilibrio de cargas. Si pudiramos medir la tensin entre las dos barras con un instrumento de medicin de resistencia interna infinita (que no afecte al circuito) observaramos que las bolillas metlicas tienen una diferencia de potencial igual a la tensin de la pila.

Lo ms interesante es que esa tensin a la que fue cargado el capacitor elemental no se pierde nunca inclusive desconectando el dispositivo de la pila. Si el capacitor formado es ideal y el medidor tiene resistencia infinita puede medir la misma tensin hora tras hora.

Como Ud. sabe en nuestra especialidad todos tienen una representacin a travs de un circuito. En la figura 2 se pude observar la representacin de nuestro capacitor elemental con una forma muy caracterstica formando un circuito que nos permitir cargar y descargar al capacitor. El elemento que transforma el circuito de carga en circuito de descarga se llama llave inversora y posee una lmina metlica que hace contacto fsico con una u otra seccin del circuito.

Fig. 2 Circuito de carga y descarga de un capacitor

Este es un circuito complejo para un principiante; as que vamos a explicarlo en detalle. La llave SW1 posee dos lminas metlicas conductoras. Esas lminas pivotean sobre los dos terminales de la izquierda y une alternativamente los contactos superiores o inferiores de la derecha. El mejor modo de entender este circuito es realizando realmente la simulacin y observando cmo se mueve la llave SW1 al sealar con el mouse sobre ella y pulsar el botn de la izquierda. En la figura 3 se puede observar el detalle de la llave SW1 en sus dos posiciones.

A la izquierda se observa la posicin de carga cuando el capacitor est conectado a la batera B1. A la derecha la descarga cuando el capacitor est conectado al resistor de descarga R1.

Fig.3 Llave inversora

XSC1 es un instrumento de medicin llamado osciloscopio que permite observar la tensin presente sobre el capacitor. El alumno no debe confundirlo con el instrumento clsico de aguja o digital que se utiliza para medir tensin y que fue tratado en YoReparo.com por el Sr. Luis Davila con el nombre Utilizando el Multmetro. En efecto un osciloscopio permite observar como vara la tensin sobre el capacitor a medida que transcurre el tiempo. Podemos decir que es un graficador de tensiones equivalente a realizar una medicin con el multmetro cada segundo y graficar el resultado.

Sabemos que es muy improbable que un principiante tenga disponible un osciloscopio; por eso le recomendamos utilizar el Live Wire para realizar una simulacin de la experiencia y para ello le explicaremos como armar el circuito simulado.

Explicar el procedimiento con palabras es sumamente tedioso, por eso empleamos un procedimiento resumido en forma simblica.

^ M significa abrir la caja de materiales indicada en la extrema derecha de la barra superior sealando y picando con el botn de la izquierda del mouse. Luego >power supplies > battery significa abrir la cortina de seleccin pulsando en power supplies y luego seleccionar battery. Y por ltimo pulsar con el botn de la izquierda del mouse sobre battery trasladar y soltar sobre la mesa de trabajo donde se desee ubicar la batera. Simblicamente decimos:

^M>power supplies>battery o Gallery>power supplies>battery

>C ; >R ; >SW con lo cual tenemos indicado que sobre la mesa de trabajo se ubic un capacitor, un resistor y una llave inversora doble. Luego se procede a trazar el circuito segn indicramos en la leccin anterior.

Una vez armado el circuito o en el momento en que se pega cada componente, se debe dar un valor al mismo. Pulse dos veces sobre el componente elegido y aparecer un cuadro de dialogo como el indicado en la figura 4.

Fig.4 Seleccin del valor de resistencia

En nuestro caso elegimos la unidad Ohms y el valor 1. Del mismo modo picamos dos veces sobre el capacitor y aparecer el cuadro de dialogo de la figura 5 con las unidades de capacidad. La unidad de capacidad es el F o faradio pero resulta ser un valor demasiado grande as que por lo comn se trabaja con mF milifaradio, uF microfaradio y pF pico faradio que corresponden a la milsima, millonsima, nanonsima y billonsima ava parte del Farad o en potencia de diez a 10-310-610-9y 10-12F.

El LW realiza automticamente los grficos de la variacin de la tensin en funcin del tiempo pero antes de generar el grfico vamos a realiza el clculo de la llamada constante de tiempo de un circuito RC (es decir resistor y capacitor). En nuestro caso el capacitor se cargar con una tensin de 10V cuando la llave se encuentre hacia arriba cuando se la baja el capacitor de 1 uF se descargar sobre el resistor de 1 Ohms. El tiempo trascurrido para que la tensin llegue al 36,8% de la original se llama constante de tiempo del circuito y se calcula como el producto de R por C.

En nuestro caso

1 uF x 1 Ohms = 1 uSuS significa1 microsegundo o la millonsima ava parte de un segundo

Ahora podemos elegir la escala de nuestro grafico como de 2 uS por divisin en horizontal y 1 V por divisin en vertical para que se puedan observar la descarga prcticamente completa del capacitor. Para eso seleccione el icono con barras de colores (graf) y luego abra un grafico debajo del circuito. Picando sobre el grafico aparece una pantalla que permite seleccionar las escalas. Predispngala segn la figura siguiente.

Fig.5 Predisponiendo el grfico

Antes de realizar la simulacin hay que preparar al LW predisponindolo para trabajar en esta escala de tiempo ya que por defecto trabaja en el orden de los segundos.

Haga TOOLS>SIMULATION>TIMING CONTROL y seleccione en la pantalla tal como en la figura 6.

Fig.6 Predisponiendo la simulacin

Ahora ya est todo preparado. Simplemente pulse F9 del teclado y comenzar a generarse un lnea negra en 10V si la llave SW1 est hacia arriba, en caso contrario pique sobre la llave con el mouse y cuando la tensin esta en 10V por un microsegundo vuelva a picar para que la llave cambie de posicin y comience la descarga. En la figura 7 se puede observar el grfico deseado.

Fig.7 Curva de descarga de un capacitor

Observe que a los 4 uS se desconecta la batera y se conecta el resistor de carga. Y que a los 5 uS la tensin es de 3,8V. A los dos segundos la tensin no es nula sino que es del 14% y a los 8 uS es de 0,2 V etc. En realidad el capacitor no se descarga jams, siempre sigue cargado con un valor que decae al 38,4 % del valor que tena 1 uS antes. Este tipo de curva se llama exponencial y siempre se presenta cuando se combina un componente reactivo con un componente resistivo.

Nota: en nuestro circuito de carga y descarga utilizamos una llave doble para desconectar los dos terminales de nuestro capacitor. En realidad tanto el terminal negativo de la batera como el terminal inferior del resistor y el terminal inferior del capacitor pueden estar permanentemente conectados a masa ya que basta con interrumpir en un solo punto del circuito para que deje de fluir la corriente.

En la figura 8 se puede observar el circuito modificado que el alumno deber probar con el LW para determinar que nuestra hiptesis es cierta.

Fig.8 Circuito con una llave inversora simple

Curva de carga de un capacitor

As como un capacitor se descarga exponencialmente tambin se carga exponencialmente cuando entre la batera y el capacitor existe un resistor de valor conocido. En la figura 10 se puede observar un circuito en donde un capacitor se carga desde una fuente de 10V o se descarga a masa al mover una llave.

Fig.9 Carga y descarga de un capacitor

El grfico se genera moviendo la llave cada 2 uS aproximadamente. Cuando la llave est hacia arriba el capacitor se carga y la tensin sube cuando est hacia abajo se conecta el resistor y la tensin baja. Aqu debemos explicar dos cosas muy importantes con referencia a la simulacin. Lo primero es que en este ltimo circuito al lado de la llave dice Key = A. Esto significa que la llave se puede comandar con la tecla A del teclado de la PC. En realidad Ud. puede seleccionar la tecla deseada porque picando dos veces sobre la llave aparece un cuadro de dialogo que le pregunta con que tecla desea controlar a la misma. Lo segundo es que es imposible que estemos abriendo y cerrando la llave en dos millonsimas de segundo (2 uS). Seguramente estamos tardando segundos entre pulsado y pulsado. Lo que ocurre es que la simulacin no se realiza en tiempo real. En realidad el circuito no se arma realmente sino que se resuelven ecuaciones pero a tal velocidad que se pueden representar en una grfica; aunque no en tiempo real. En nuestro ejemplo se demora aproximadamente 1 S por cada uS transcurrido. El tiempo simulado se puede leer en la parte inferior de la pantalla donde dice time.

La curva exponencial

Se puede explicar fcilmente la razn de que la tensin cambie en forma exponencial al descargarse un capacitor? Habra que utilizar matemticas para demostrarlo pero es preferible intuir el motivo antes de realizar una demostracin puramente acadmica. Analizando nuestro ejemplo podemos decir que cuando el capacitor est cargado con 10 V y sobre l se conecta un resistor de 1 Ohm, la corriente que circula por el resistor es de 10 A y por lo tanto la cada de tensin en el resistor es igual a la tensin de fuente. Cuando el capacitor se descarga sobre el resistor hay menos tensin y por lo tanto cada vez toma menos corriente y entonces es lgico que tarde mas en descargar al capacitor. Por ejemplo cuando pas un microsegundo la tensin es de 3,8V y solo circulan 3,8 A por l resistor.

Se puede conseguir que un capacitor se cargue linealmente? Por supuesto pero se lo debe cargar con una fuente de corriente constante y no con una fuente de tensin constante como por ejemplo una batera.

Y que es una fuente de corriente constante? Una fuente de tensin constante es aquella cuya tensin de salida no cambia con la corriente de carga. En cambio una fuente de corriente constante es toda aquella fuente que entrega una corriente constante de salida independientemente de la resistencia de carga. Por ejemplo, una fuente de corriente constante de 1A va a entregar esa corriente tanto si se la carga con 1 Ohms como si la carga con 10 Ohms.

En la figura 10 se puede observar que el LW tiene un smbolo para las fuentes de corriente constante y otro para las fuentes de tensin constante. Obtenido de Gallery>Power supplies>DC Voltaje sources o DC Current sources y ajustando luego el valor de tensin o de corriente.

Fig.10 Uso de las fuentes de tensin constante

V1 es el dibujo de una fuente de tensin constante de 1KV (1 kilovolt) que carga al capacitor C1 cuando se opera el pulsador SW1 (Gallery>Input Components>Push to Make). En realidad Se puede considerar que la combinacin de la fuente de tensin de 1KV con el resistor R1 forma una fuente de corriente si no se permite que la tensin sobre el capacitor supere los 10V. En efecto cuanto el capacitor esta descargado (VC1=0) y la corriente circulante por la fuente es 1KV/1Kohms = 1. 6 uS despus la tensin sobre el capacitor creci hasta 6V y la corriente ser entonces igual a (1.000 6)/ 1.000 = 0,9999A es decir prcticamente 1 A. Es decir que la corriente circulante no depende de la carga dentro de nuestro rango de utilizacin entre 0 y 10V.

Observe que cuando un capacitor se carga a corriente constante la curva exponencial se transforma en una recta dando lugar a muchos circuitos tiles que iremos conociendo paulatinamente.

El mismo resultado se puede obtener utilizando el smbolo de la fuente de corriente constante. En realidad si Ud. lo desea puede considerar que las fuentes de corriente constante son solo una abstraccin electrnica ya que no existe como componente real. En la figura 11se puede observar la modificacin del circuito para que funcione con una fuente de corriente constante.

Fig.11 Uso de una fuente de corriente

Como puede observar el alumno los circuitos generan la misma seal sobre el capacitor y son por lo tanto equivalentes. El resistor R1 agregado es a los efectos de que el laboratorio virtual pueda realizar clculos cuando el pulsador est abierto. Si no existiera cuando el LW quiere calcular la tensin sobre la fuente de corriente debe realizar una multiplicacin por infinito y eso hace que la simulacin se interrumpa.ConclusionesEn esta leccin conocimos el segundo personaje ms importante de la electrnica. En realidad solo lo presentamos ya que aun no explicamos cmo est construido un capacitor real.

Hasta ahora nuestro capacitor son dos bolas metlicas separadas por un aislador que es el aire. Nunca indicamos el tamao de esas bolas, necesario para lograr un capacitor de 1 uF como el que utilizamos en la explicacin. Ese capacitor debera tener aproximadamente varios kilmetros de dimetro. Pero por suerte la industria actual nos ofrece soluciones tan pequeas como la de un cilindro de 3 mm de dimetro por 3 de altura.

En la prxima leccin vamos a completar el tema explicando que es un capacitor cermico, uno de polyester y un capacitor electroltico y sobre todo nos vamos a detener en este ltimo por ser uno de los componentes con mayor ndice de fallas y por tener la particularidad de ser un componente polarizado.6/ Capacitores cermicos, electrolticos y SMD

Cuntos tipos de capacitores hay? Muchos y cada uno tiene una funcin especfica. Por ahora no podemos explicar muy bien para qu sirve cada uno ya que por el momento solo dominamos el campo de la corriente continua. Sin embargo en la entrega anterior vimos que podemos cargar y descargar un capacitor en intervalos de tiempo tan pequeos como 1 uS. Las seales pulsantes que se generan ya no son corrientes continuas propiamente dichas y nos ayudaran a explicar para que sirve cada uno de los capacitores que se utilizan en la electrnica y que podemos adelantar que son de cinco tipos diferentes a saber:

Capacitores electrolticos (polarizados, no polarizados y de Tantalio)

Capacitores de polyester (metalizado y no metalizados)

Capacitores cermicos (disco y Plate)

Capacitores de mica plata

Capacitores SMD

En la figura1 se pueden observar muestras de cada tipo de capacitor.

Fig.1 Muestrario de capacitores

Modificando nuestro capacitor elemental

Por ahora nuestro capacitor est construido con dos bolitas metlicas separadas por aire. Experimentalmente se puede demostrar que cuando ms grandes son las bolitas, mayor es la capacidad del capacitor y que lo mismo ocurre cuando ms cerca est una bolita de la otra. Con las bolitas esfricas es evidente que la superficie enfrentada vara constantemente y la capacidad que se obtiene es muy baja.

Botella de Leyden

Pieter van Musschenbroek fsico y cientfico holands que naci en Leyden, Holanda el 14 de marzo de 1692 y muri en 1761. Durante el ao de 1746 construye el primer capacitor prctico y lo llama, en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo, Botella de Leyden. El nombre de la Botella de Leyden qued en la historia como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia y consista en una botella de vidrio con delgadas lminas metlicas que la cubran por dentro y por fuera. Una varilla metlica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con la lmina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una diferencia de potencial que haca que la Botella de Leyden se cargara. Una vez cargada se la poda descargar acercando el conductor central a la placa externa, produciendo la perforacin dielctrica del aire mediante una chispa.

Lo que se busca al disear un capacitor, es que exista una gran superficie de enfrentamiento entre los dos cuerpos metlicos que ofician de placas. Pero por qu Musschenbroek utilizo el vidrio para separar las placas metlicas? Porque observ que la capacidad era fuertemente dependiente del material utilizado para separar los cuerpos metlicos o placas y que llam dielctrico.

Sabemos que un capacitor acumula energa elctrica. Pero en donde esta acumulada esa energa elctrica en las placas o en el dielctrico? Musschenbroek estaba seguro que era en las placas como parece indicar la lgica y para demostrarlo fabric un capacitor desarmable con dos chapas cuadradas y un vidrio que poda retirase a voluntad para reemplazarlo por otro vidrio. Arm el capacitor lo carg con varios KV, sac el vidrio y coloco un vidrio virgen; prob si sacaba chispas y se sorprendi al ver que el capacitor estaba descargado. Volvi a colocar el primer vidrio y observ que el capacitor produjo chispas al unir las placas con un conductor.

Es decir que la energa estaba en el dielctrico, lo cual explicaba que la capacidad dependiera del mismo. De sus estudios y experimentos dedujo que la energa no poda estar acumulada en las placas porque un metal no puede tener diferencias de potencial en su interior debido a la movilidad de los electrones. En cambio, en el dielctrico, si los electrones son reubicados se quedan en esa misma posicin por una infinita cantidad de tiempo si el dielctrico es ideal (no tiene fugas). Se puede decir que en el dielctrico existe un campo elctrico con zonas donde hay un exceso de electrones a zonas donde hay una ausencia de electrones. Todo el dielctrico es neutro pero sus diferentes zonas tienen lo que se llama un gradiente de potencial que va variando linealmente de una zona positiva a otra negativa.

Distribucin del potencial dentro de un capacitor plano

La capacidad de un capacitor es directamente proporcional a la superficie enfrentada de las placas e inversamente proporcional a la separacin o espesor del dielctrico. La constante de proporcionalidad es un coeficiente que depende del dielctrico utilizado y se llama constante dielctrica. Cuando se requieren grandes capacidades se recurre a realizar dielctricos de muy bajo espesor y placas de mucha superficie. Algo muy comn es realizar placas y dielctricos muy largos y luego enrollarlas sobre s misma. Otro modo es realizar ms de dos capas metlicas planas y unir todas las placas pares y todas las placas impares. Ms adelante volveremos sobre la tecnologa de los capacitores.

La capacidad de un capacitor se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador al que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1V ste adquiere una carga elctrica de 1 Culombio de electricidad.

Un capacitor de 1 faradio es mucho ms grande que la mayora de los capacitores utilizados en electrnica, por lo que en la prctica se suele indicar la capacidad en submltiplos del F. Los supercondensadores son la excepcin. Estn hechos de carbn activado para conseguir una gran rea relativa y tienen una separacin molecular entre las placas. As se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. Tambin se estn utilizando en los prototipos de automviles elctricos.

El valor de la capacidad viene definido por la frmula siguiente

Q = C . Ven donde:

C: Capacidad

Q: Carga elctrica

V: Diferencia de potencial o tensin aplicada

Ahora imagnese al capacitor como un recipiente de electrones cuando ms tensin V le aplica mas electrones entran en el mismo. Lo mismo ocurre cuando ms grande es el recipiente C.

Capacitores cermicos

Los capacitores cermicos sueles ser de dos tipos diferentes. Los cermicos discos son los ms comunes y tienen una forma muy simple: se trata de un disco de material aislante cermico de elevada constante dielctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos chicotes de conexin resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3 en donde se observa el capacitor si su bao final de pintura epoxi que tapa el disco y parte de los terminales.

Fig.3 Capacitor cermico disco

Este tipo de capacitor se provee desde capacidades de 2,2 pF hasta .1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen tambin capacitores cermicos disco de mayor tensin para aplicaciones especiales que llegan a valores de 2 KV.

Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia ms comn es del 5% y los de valores bajos hasta 100 pF no varan con la temperatura y se denominan NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variacin con la temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no vare con la temperatura.

Por lo general estos capacitores estn marcados con lo que se llama el mtodo Japons que consiste en utilizar un cdigo de 3 cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo un capacitor marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores de bajos valores cuando se utiliza este cdigo se lo escribe subrayado (en nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si no lo est es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podra estar marcado 220 o 22.

Otra tecnologa muy parecida es la de los capacitores Plate que se caracterizan por tener una forma rectangular en lugar de la clsica circular como la de los disco. En realidad la palabra Plate es una marca registrada de Philips. Pero su uso es tan comn que se lo toma como un denominacin de tipo. Estn construidos igual que los disco con una pastilla cermica plateada en sus dos caras en donde se sueldan posteriormente los terminales de alambre de cobre. La marcacin de estos capacitores es simplemente escribir el valor en una unidad cmoda utilizndola la letra de la unidad como una coma decimal. Por ejemplo un capacitor marcado 4n7 es un capacitor de 4,7 nF. Se puede observar que los capacitores poseen su cabeza pintada de un color que determina la variacin de la capacidad con la temperatura. Por ejemplo una cabeza negra significa que es un capacitor NP0 que no vara con la temperatura.

Los dos tipos de capacitores tratados suelen tener versiones multicapa que poseen una elevada capacidad en un pequeo tamao.

Capacitores con dielctrico de plstico

Por lo general se fabrican partiendo de dos finos folios de polyester que se enrollan junto con dos lminas tambin muy finas de aluminio, para formar las placas del capacitor. Una variante para lograr tamaos ms pequeos consiste en metalizar el plstico usado como dielctrico. La primer versin suele utilizarse para capacitores que requieran una elevada corriente circulando por ellos, debido a que la presencia de las lminas metlicas ayudan a extraer el calor interno y el mayor tamao ayuda a disipar el calor que llega al exterior. La segunda versin se utiliza donde solo existen bajas corrientes.

El tipo de dielctrico utilizado se presta para construir capacitores de elevada tensin de aislacin que est estandarizada en 250V, 400V y 630V. En cuanto a la banda de capacidades que se pueden construir; esta suele comenzar en 1.000 pF y llegar hasta 0,47 uF (habitualmente se dice .47 uF) o 1 uF.

Existen dos modos de marcar estos capacitores de acuerdo al fabricante.

Philipssuele pintarlos con tres bandas de colores para la capacidad de modo que se comiencen a leer por la banda ms alejada de los terminales con el clsico cdigo de colores de resistores (primer valor significativo, segundo valor significativo, cantidad de ceros) con la capacidad expresada en pF.Estos capacitores tienen una aceptable estabilidad con la temperatura y un coeficiente trmico que compensa perfectamente la variacin de un resistor de carbn. De este modo suelen ser los capacitores elegidos cuando se disea una constante de tiempo RC.

Siemensimprime directamente las caractersticas del capacitor en el cuerpo (normalmente pintado de naranja) y usa una tecnologa algo diferente que se llama multicapa. Los capacitores no son enrollados sino con capas metlicas planas y entrelazadas. Pero a todos los efectos se considera a ambas tecnologas como equivalentes y solo diferenciables en que los capacitores de Philips tienen simetra cilndrica y los de Siemens tienen simetra cbica.

Capacitores electrolticos

Donde se requiera un pequeo tamao son indispensables los capacitores electrolticos cuya faja de capacidades suele empezar en .47 uF y llegar hasta 10 mF. Un capacitor electroltico est construido enrollando dos laminas de aluminio y dos lminas de papel mojado en agua acidulada llamada electrolito. El electrolito es un camino de relativamente baja resistencia es decir que inmediatamente despus de fabricado, no tenemos un capacitor sino un dispositivo sin terminar que se llama protocapacitor. El protocacitor se conecta a una fuente de corriente de modo que el cido oxide a una de las placas de aluminio. Como el xido es un aislador, un tiempo despus se forma un capacitor electroltico polarizado en donde la placa positiva esta oxidada.

El valor de capacidad y de tensin no solo depende de las caractersticas geomtricas de las placas sino que depende fuertemente de este interesante proceso de formacin que no es permanente. En efecto el nico componente electrnico con fecha de vencimiento es el electroltico ya que si se lo deja mucho tiempo sin aplicarle tensin se deforma variando su capacidad y su tensin de aislacin.

Podramos decir que un electroltico (normalmente se obvia la palabra capacitor) es un componente vivo que se alimenta del equipo. Y si el equipo no se usa por mucho tiempo los electrolticos fallan y hasta inclusive explotan si son circulados por una corriente excesiva. Por lo comn el buen diseador tiene en cuenta el problema y suele (cuando el circuito lo permite) agregar algn pequeo resistor en serie para evitar la explosin. De este modo por lo general el electroltico se hincha en su cara superior y en su tapn de goma inferior por la presin de los gases generados en su interior, pero no llega a explotar.

Si el lector tiene educacin informtica sabe quemuchos de los problemas de un motherboard se arreglan al cambiar los electrolticos, sobre todo si estos se ven hinchados o si existen derrames de lquido a su alrededor.Cuando se reemplaza un electroltico, se debe prestar la mayor atencin al valor de tensin del mismo. Existe una falsa informacin muy difundida en n